Agujeros negros y otros fenomenos

Cuando 1905 Albert Einstein publicó la teoría de la relatividad muy pocos pudieron visualizar el gran impacto que esta teoría podría tener en la física y en el entendimiento de los fenómenos estelares. Esta teoría brindó a los astrónomos la posibilidad de poder entender los descubrimientos que se realizarían en las décadas posteriores. Uno de estos descubrimientos fue la existencia de los agujeros negros. Los agujeros negros, vistos desde la perspectiva que nos brinda la teoría de la relatividad y de las teorías que de ella se derivaron nos muestran una inquietante visión de un universo que día a día nos sorprende más, donde las cosas no pueden ser explicadas con los conocimientos que poseemos, pues allí dentro, ni la física ni las matemáticas que conocemos (o que estamos conociendo) se cumplen.

El sólo hecho de saber que las cosas tal como las conocemos no funcionan siguiendo nuestra lógica convierte de por sí a los agujeros negros en un fenómeno más que interesante. ¿Podemos imaginar poder tener un movimiento cuya distancia no puede ser medida? ¿O tal vez imaginar un disco compacto con cinco caras y que pueda ser a la vez bidimensional?  Cosas tan extrañas como las que han sido mencionadas son las que provocan el interés en los agujeros negros. ¿Qué pasará con los agujeros negros en el universo?, ¿cómo se comportan y qué tamaño tienen?, ¿un agujero negro acabará con la existencia del universo tal como lo conocemos? Estas preguntas frecuentes e inquietantes intentarán ser resueltas en las siguientes líneas y tratarán de mostrar de manera simple lo que hasta ahora conocemos acerca de los agujeros negros.

Historia

El concepto de un cuerpo tan denso que ni la luz pudiese escapar de él, fue descrito en un artículo enviado en 1783 a la Royal Society por un geólogo inglés llamado John Michell. Por aquel entonces la teoría de Newton de gravitación y el concepto de velocidad de escape eran muy conocidos. Michell calculó que un cuerpo con un radio 500 veces el del Sol y la misma densidad, tendría, en su superficie, una velocidad de escape igual a la de la luz y sería invisible. En 1796, el matemático francés Pierre-Simon Laplace explicó en las dos primeras ediciones de su libro Exposition du Systeme du Monde la misma idea aunque, al ganar terreno la idea de que la luz era una onda sin masa, en el siglo XIX fue descartada en ediciones posteriores.

En 1915, Einstein desarrolló la relatividad general y demostró que la luz era influida por la interacción gravitatoria. Unos meses después, Karl Schwarzschild encontró una solución a las ecuaciones de Einstein, donde un cuerpo pesado absorbería la luz. Se sabe ahora que el radio de Schwarzschild es el radio del horizonte de sucesos de un agujero negro que no gira, pero esto no era bien entendido en aquel entonces. El propio Schwarzschild pensó que no era más que una solución matemática, no física. En 1930, Subrahmanyan Chandrasekhar demostró que un cuerpo con una masa crítica, (ahora conocida como límite de Chandrasekhar) y que no emitiese radiación, colapsaría por su propia gravedad porque no había nada que se conociera que pudiera frenarla (para dicha masa la fuerza de atracción gravitatoria sería mayor que la proporcionada por el principio de exclusión de Pauli). Sin embargo, Eddington se opuso a la idea de que la estrella alcanzaría un tamaño nulo, lo que implicaría una singularidad desnuda de materia, y que debería haber algo que inevitablemente pusiera freno al colapso, línea adoptada por la mayoría de los científicos.

En 1939, Robert Oppenheimer predijo que una estrella masiva podría sufrir un colapso gravitatorio y, por tanto, los agujeros negros podrían ser formados en la naturaleza. Esta teoría no fue objeto de mucha atención hasta los años 60 porque, después de la Segunda Guerra Mundial, se tenía más interés en lo que sucedía a escala atómica.

En 1967, Stephen Hawking y Roger Penrose probaron que los agujeros negros son soluciones a las ecuaciones de Einstein y que en determinados casos no se podía impedir que se crease un agujero negro a partir de un colapso. La idea de agujero negro tomó fuerza con los avances científicos y experimentales que llevaron al descubrimiento de los púlsares. Poco después, en 1969, John Wheeler6 acuñó el término "agujero negro" durante una reunión de cosmólogos en Nueva York, para designar lo que anteriormente se llamó "estrella en colapso gravitatorio completo".

El agujero negro

3.1. CONCEPTO:

Los agujeros negros son una consecuencia de la Teoría de la Relatividad General de Einstein. Los agujeros negros son singularidades que para los cálculos físicos y matemáticos tradicionales no tienen un comportamiento predecible, sólo la Teoría de la relatividad se asemeja a dicho comportamiento. Puede haber más agujeros negros que estrellas visibles en nuestro universo.

Los agujeros negros pudieron ser formados por las irregularidades en la expansión de nuestro universo o por el colapso gravitacional de una estrella muy masiva.

Un agujero negro es un cuerpo celeste con un campo gravitatorio tan fuerte que ni siquiera la radiación electromagnética puede escapar de su proximidad.

Un campo de estas características puede corresponder a un cuerpo de alta densidad con una masa relativamente pequeña (como la del Sol o menor) que está condensada en un volumen mucho menor, o a un cuerpo de baja densidad con una masa muy grande, como una colección de millones de estrellas en el centro de una galaxia.

Es un "agujero" porque las cosas pueden caer, pero no salir de él, y negro porque ni siquiera la luz puede escapar. También se puede describir como un objeto cuya velocidad de escape es mayor que la velocidad de la luz, siendo, este último, el mayor límite de velocidad en el universo.

Todo agujero negro está rodeado por una frontera llamada Horizonte de Eventos, de la cual no se puede escapar. Cualquier evento que ocurra en su interior queda oculto para alguien que lo observe desde afuera. El astrónomo Karl Schwarszchild demostró que el radio del horizonte de eventos corresponde a unos 3 km por cada masa solar de la esfera, a este radio se llama el Radio deSchwarzschild. Este radio es un filtro unidireccional, pues cualquier cosa puede entrar, pero no salir.

El horizonte de eventos está formado por los caminos, en el espacio-tiempo, de los rayos de luz que no alcanzan a escapar. Los rayos de luz que están en esta frontera se moverán eternamente, sin chocar entre sí, ya que los dos rayos de luz serian absorbidos por el agujero, así estos ¸caminos luminosos se mueven en forma paralela.

Al nunca acercarse entre sí, el horizonte permanece constante o va aumentando con el tiempo.

A medida que cae materia dentro del agujero negro, el área del horizonte de eventos aumenta.

La masa de un cuerpo y su radio de Schwarzschild son directamente proporcionales.

Además, según la relatividad general, la gravitación modifica el espacio -tiempo en las proximidades del agujero.

Un agujero negro es un objeto que tiene tres propiedades: masa, espín y carga eléctrica. La forma del material en un agujero negro no se conoce, en parte porque está oculta para el universo externo, y en parte porque, en teoría, el material continuaría colapsando hasta tener radio cero, punto conocido como singularidad, de densidad infinita.

En teoría, los agujeros negros vienen en tres tamaños: mini-agujeros negros, agujeros negros medianos y agujeros negros súper-masivos.

En 1971, Stephen Hawking dijo que en la densa turbulencia creada por el BigBang, se formaron presiones externas las cuales ayudaron a la formación de los mini-agujeros negros. Estos serían tan masivos como una montaña, pero tan pequeños como un protón; radiarían energía espontáneamente, y después de miles de millones de años finalizarían con una violenta explosión.

Formación de un agujero negro

Los agujeros negros se forman a partir de estrellas moribundas las cuales luego de un proceso natural empiezan a acumular una enorme concentración de masa en un radio mínimo de manera que la velocidad de escape de esta estrella es mayor que la velocidad de la luz. A partir de esto la ex estrella no permite que nada se escape a su campo gravitatorio, inclusive la luz no puede escapar de ella. Para entender con mayor claridad lo anteriormente escrito es conveniente que estudiemos las fases en la formación de una estrella.

4.1 FORMACIÓN DE ESTRELLAS

Una estrella se forma cuando una gran cantidad de gas, principalmente hidrógeno, comienza a colapsar sobre sí mismo debido a su atracción gravitatoria. Conforme se contrae, sus átomos empiezan a colisionar entre sí, cada vez con mayor frecuencia y a mayores velocidades: el gas se calienta. Con el tiempo, el gas estará tan caliente que cuando los átomos de hidrógeno choquen ya no saldrán rebotados, sino que se fundirán formando helio. El calor desprendido por la reacción, que es como una explosión controlada de una bomba de hidrógeno, hace que la estrella brille. Este calor adicional también aumenta la presión del gas hasta que ésta es suficiente para equilibrar la atracción gravitatoria, y el gas deja de contraerse. Se parece en cierta medida a un globo. Existe un equilibrio entre la presión del aire de dentro, que trata de hacer que el globo se hinche, y la tensión de la goma, que trata de disminuir el tamaño del globo. Las estrellas permanecerán estables en esta forma por un largo período, con el calor de las reacciones nucleares equilibrando la atracción gravitatoria.

4.2 COLAPSO DE UNA ESTRELLA Y SURGIMIENTO DEL AGUJERO NEGRO.

Finalmente, sin embargo, la estrella consumirá todo su hidrógeno y los otros combustibles nucleares. Paradójicamente, cuanto más combustible posee una estrella al principio, más pronto se le acaba. Esto se debe a que cuanto más masiva es la es estrella más caliente tiene que estar para contrarrestar la atracción gravitatoria, y, cuanto más caliente está, más rápidamente utiliza su combustible.

Nuestro Sol tiene probablemente suficiente combustible para otros cinco mil millones de años aproximadamente, pero estrellas más masivas pueden gastar todo su combustible en tan sólo cien millones de años, mucho menos que la edad del universo. Cuando una estrella se queda sin combustible, empieza a enfriarse y por lo tanto a contraerse. Lo que puede sucederle a partir de ese momento sólo se empezó a entender al final de los años veinte.

Chandrasekhar indicó el tamaño máximo que una estrella puede alcanzar antes de llegar a consumir todo su combustible natural. Chandrasekhar calculó matemáticamente que la masa crítica de una estrella sería igual a 1,5 veces la masa del sol. A ésta masa se le denomina el límite de Chandrasekhar, por debajo de éste límite encontramos a las enanas blancas y las estrellas de neutrones mientras que por encima de ese límite… bueno no fue hasta 1939 que se logró explicar que sucedería con una estrella con una masa mayor a la del límite de Chandrasekhar, esa estrella poseería un campo gravitatorio tan fuerte que los rayos de luz emanados de la estrella empiezan a irradiarse hacia la superficie (como un boomerang), poco a poco los rayos de luz se inclinan con mayor fuerza hacia la misma estrella de la cual emanan. A lo lejos un observador contemplará como la estrella pierde luminosidad tornándose roja (un efecto parecido a cuando las baterías de una lámpara se van acabando de a pocos), Cuando la estrella llegue a alcanzar un radio crítico el campo gravitatorio crecerá de manera exponencial llegando finalmente a atrapar a la misma luz dentro de ella.

En este instante el agujero negro ha sido creado y su presencia sólo puede ser notada por la emisión de rayos X que provoca.

Partes del agujero negro

Un agujero negro tiene tres partes principales:

5.1 ORBITA DEL AGUJERO NEGRO

Es el exterior del agujero negro. En él está toda la materia que tarde o temprano va a ser engullida por el agujero negro. Esta materia gira en torno al agujero negro, pero poco a poco va desplazándose más hacia el interior. Nadie sabe todavía donde va a parar esta materia.

5.2 HORIZONTE DE SUCESOS

El horizonte de sucesos es como una válvula que solo puede atravesarse en un sentido. Una vez que lo cruzas es imposible salir de ahí. Ni siquiera la luz puede salir. Aquí, ya sólo queda bajar hasta la singularidad, que es el punto y final del agujero negro. Ponemos el ejemplo de una nave interestelar de las del tipo de las películas de ciencia ficción. Si una nave quisiera salir del horizonte de sucesos, necesitaría una aceleración infinita, prohibida por las leyes de la física.

5.3 LA SINGULARIDAD

La singularidad es la parte final del agujero negro. Aquí, la curvatura del espacio tiempo es muy extrema, y en caso de que una nave llegase hasta aquí, el espacio tiempo la comprimiría hasta densidades superiores a las de miles de millones de toneladas por centímetro cúbico que existen en el núcleo de los púlsares.

Propiedades de un agujero negro

Un agujero negro es un objeto que tiene tres propiedades: masa, espín y carga eléctrica. La forma de la material en un agujero negro no se conoce, en parte porque está oculta para el universo externo, y en parte porque, en teoría, la material continuaría colapsándose hasta tener radio cero, punto conocido como singularidad, de densidad infinita, con lo cual no se tiene experiencia en la Tierra.

Clases de agujeros negros

En teoría, los agujeros negros vienen en tres tamaños: mini agujeros negros, agujeros negros medianos y agujeros negros súper masivos.

7.1. CLASIFICACIÓN TEÓRICA

Según su origen, teóricamente pueden existir al menos tres clases de agujeros negros:

A) SEGÚN LA MASA

• Agujeros negros supermasivos: con masas de varios millones de masas solares. Se hallarían en el corazón de muchas galaxias. Se forman en el mismo proceso que da origen a las componentes esféricas de las galaxias.

• Agujeros negros de masa estelar: Se forman cuando una estrella de masa 2,5 veces mayor que la del Sol se convierte en supernova e implosiona. Su núcleo se concentra en un volumen muy pequeño que cada vez se va reduciendo más. Este es el tipo de agujeros negros postulados por primera vez dentro de la teoría de la relatividad general.

• Micro agujeros negros. Son objetos hipotéticos, algo más pequeños que los estelares. Si son suficientemente pequeños, pueden llegar a evaporarse en un período relativamente corto mediante emisión de radiación de Hawking. Este tipo de entidades físicas es postulado en algunos enfoques de la gravedad cuántica, pero no pueden ser generados por un proceso convencional de colapso gravitatorio, el cual requiere masas superiores a la del Sol.

B) SEGÚN SUS PROPIEDADES FÍSICAS

Para un agujero negro descrito por las ecuaciones de Einstein, existe un teorema denominado de sin pelos (en inglés No-hair theorem), que afirma que cualquier objeto que sufra un colapso gravitatorio alcanza un estado estacionario como agujero negro descrito sólo por 3 parámetros: su masa M, su carga Q y su momento angular J. Así tenemos la siguiente clasificación para el estado final de un agujero negro:

• El agujero negro más sencillo posible es el agujero negro de Schwarzschild, que no rota ni tiene carga.

• Si no gira pero posee carga eléctrica, se tiene el llamado agujero negro de Reissner-Nordstrøm.

• Un agujero negro en rotación y sin carga es un agujero negro de Kerr.

• Si además posee carga, hablamos de un agujero negro de Kerr-Newman.

Como se observa un agujero negro

Los agujeros negros tienen masa, la cual produce una fuerza gravitacional que afecta a objetos cercanos. La fuerza gravitacional debe ser muy intensa cerca de los agujeros negros, y podrían verse los efectos en su ambiente. El material que cae dentro del agujero negro, y sería aplastado y calentado al tratar de colarse en la pequeña garganta del agujero negro, por lo que produciría rayos-X. El primer ejemplo de un agujero negro fue descubierto precisamente por ese efecto gravitacional en una estrella acompañante, en 1971.

Cygnus X-1 es el nombre que se le dio a una fuente de rayos X en la constelación Cygnus, descubierta en1962 con un primitivo telescopio de rayos X que se envió a bordo de un cohete. Para 1971, la localización dela fuente de rayos X en el cielo se había medido con mayor precisión, usando observaciones de cohete satélite.

Un avance fundamental se dio en marzo de 1971, cuando una nueva fuente de ondas de radio se descubrió en Cygnus, cerca de la posición de la fuente de rayos X. La señal de radio variaba exactamente al mismo tiempo que la intensidad de rayos X, una fuerte evidencia de que la fuente de radio y la de rayos X eran el mismo objeto. Una estrella débil llamada HDE 226868 aparece en la posición de esta fuente de radio.

Los astrónomos que estudiaban la luz de HDE 226868 habían encontrado dos hechos importantes: (1) HDE 226868 es una estrella supe gigante azul — una estrella normal, masiva, cerca del final de su vida; y (2) la estrella gira alrededor de otro objeto masivo en una órbita con período de 5.6 días. Conociendo la fuerza necesaria para mantener a HDE 226868 en órbita, se puede calcular la masa de la compañera, la cual es es de cerca de 10 masas solares. Pero no hay signos de luz visible de ella y algo en el objeto produce rayos X.

La explicación o "modelo" que mejor se ajusta a estos hechos es que la compañera es un agujero negro de cerca de 10 masas solares, el cadáver de una estrella masiva que alguna vez fue la compañera de HDE 226868. Los rayos X son producidos conforme el gas de la atmósfera del súper gigante azul cae hacia el objeto colapsado y se calienta. El objeto colapsado no puede ser una enana blanca o una estrella de neutrones, porque estos objetos no pueden tener masas mayores de 1.44 y 3 masas solares, respectivamente.

Nunca podremos "probar" esta teoría de Cygnus X-1 "viendo" el agujero negro, pero la evidencia circunstancial es fuerte. Otros tres objetos: LMC X-3 en la Nube Mayor de Magallanes, y A0620-00 y V404 Cygni en nuestra galaxia, también se cree que tienen agujeros negros como una de sus componentes.

A pesar de la dificultad al descubrir los agujeros negros, se estima con certeza que muchas estrellas a través del tiempo en el universo han perdido toda su energía y han tenido que colapsarse. Tal vez el número de agujeros negros es más grande que el número de estrellas visibles.

El horizonte de eventos está formado por los caminos en el espacio -tiempo de los rayos de luz que no alcanzan a escapar. Los rayos de luz que están en esta frontera se moverán eternamente, sin embargo no podrían chocar entre sí por que los dos rayos de luz serían absorbidos por el agujero, así los "caminos luminosos" se mueven en forma paralela, al nunca acercarse entre sí, el horizonte permanece constante o va aumentando con el tiempo. Al caer materia dentro del agujero negro el área del horizonte de eventos aumenta.

Los agujeros negros en la física actual

Se explican los fenómenos físicos mediante dos teorías en cierto modo contrapuestas y basadas en principios incompatibles: la mecánica cuántica, que explica la naturaleza de «lo muy pequeño», donde predomina el caos y la estadística y admite casos de evolución temporal no-determinista, y la relatividad general, que explica la naturaleza de «lo muy pesado» y que afirma que en todo momento se puede saber con exactitud dónde está un cuerpo, siendo esta teoría totalmente determinista. Ambas teorías están experimentalmente confirmadas pero, al intentar explicar la naturaleza de un agujero negro, es necesario discernir si se aplica la cuántica por ser algo muy pequeño o la relatividad por ser algo tan pesado. Está claro que hasta que no se disponga de una física más avanzada no se conseguirá explicar realmente la naturaleza de este fenómeno.

Descubrimientos recientes

En 1995 un equipo de investigadores de la UCLA dirigido por Andrea Ghez demostró mediante simulación por ordenadores la posibilidad de la existencia de agujeros negros supermasivos en el núcleo de las galaxias. Tras estos cálculos mediante el sistema de óptica adaptativa se verificó que algo deformaba los rayos de luz emitidos desde el centro de nuestra galaxia (la Vía Láctea). Tal deformación se debe a un invisible agujero negro supermasivo que ha sido denominado Sgr.A (o Sagittarius A). En 2007-2008 se iniciaron una serie de experimentos de interferometría a partir de medidas de radiotelescopios para medir el tamaño del agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea, al que se le calcula una masa 4'5 millones de veces mayor que la del Sol y una distancia de 26.000 años luz (unos 255.000 billones de km respecto de la Tierra). El agujero negro supermasivo del centro de nuestra galaxia actualmente sería poco activo ya que ha consumido gran parte de la materia bariónica, que se encuentra en la zona de su inmediato campo gravitatorio y emite grandes cantidades de radiación.

Por su parte, la astrofísica Feryal Özel ha explicado algunas características probables en torno a un agujero negro: cualquier cosa, incluido el espacio vacío, que entre en la fuerza de marea provocada por un agujero negro se aceleraría a extremada velocidad como en un vórtice y todo el tiempo dentro del área de atracción de un agujero negro se dirigiría hacia el mismo agujero negro.

En el presente se considera que, pese a la perspectiva destructiva que se tiene de los agujeros negros, éstos al condensar en torno a sí materia sirven en parte a la constitución de las galaxias y a la formación de nuevas estrellas.

En junio de 2004 astrónomos descubrieron un agujero negro súper masivo, el Q0906+6930, en el centro de una galaxia distante a unos 12.700 millones de años luz. Esta observación indicó una rápida creación de agujeros negros súper masivos en el Universo joven.

La formación de micro agujeros negros en los aceleradores de partículas ha sido informada, pero no confirmada. Por ahora, no hay candidatos observados para ser agujeros negros primordiales.

A) EL MAYOR

Dejando a un lado los agujeros negros supermasivos que suelen estar en el núcleo de las galaxias y cuya masa son de millones de veces nuestro Sol, el mayor agujero negro de masa estelar conocido hasta la fecha, se descubrió el año 2007 y fue denominado IC 10 X-1. Está en la galaxia enana IC 10 situada en la constelación de Casiopea, a una distancia de 1,8 millones de años luz (17 billones de kilómetros) de la Tierra, con una masa de entre 24 y 33 veces la de nuestro Sol.

Posteriormente, en abril de 2008, la revista Nature publicó un estudio realizado en la Universidad de Turku (Finlandia). Según dicho estudio, un equipo de científicos dirigido por Mauri Valtonen descubrió un sistema binario, un blazar, llamado OJ 287, en la constelación de Cáncer. Tal sistema parece estar constituido por un agujero negro menor que orbita en torno a otro mayor, siendo la masa del mayor de 18.000 millones de veces la de nuestro Sol, lo que lo convierte en el mayor agujero negro conocido. Se supone que en cada intervalo de rotación el agujero negro menor, que tiene una masa de 100 millones de soles, golpea la ergosfera del mayor dos veces, generándose un quásar. Situado a 3500 millones de años luz de la Tierra, está relativamente cerca de la Tierra para ser un quásar.

B) EL MENOR

Sin contar los posibles micro agujeros negros que casi siempre son efímeros al producirse a escalas subatómicas; macroscópicamente en abril de 2008 el equipo coordinado por Nikolai Saposhnikov y Lev Titarchuk ha identificado el más pequeño de los agujeros negros conocidos hasta la fecha; ha sido denominado J 1650, se ubica en la constelación Ara (o Altar) de la Vía Láctea (la misma galaxia de la cual forma parte la Tierra). J 1650 tiene una masa equivalente a 3,8 soles y tan solo 24 km de diámetro se habría formado por el colapso de una estrella; tales dimensiones estaban previstas por las ecuaciones de Einstein.

Conclusiones

La existencia de los agujeros negros depende de la teoría de Einstein, aunque las evidencias son muy sólidas; si esa teoría se mostrara incorrecta, debería reescribirse la cosmología entera.

Los agujeros negros se forman a partir de estrellas moribundas las cuales luego de un proceso natural empiezan a acumular una enorme concentración de masa en un radio mínimo de manera que la velocidad de escape de esta estrella es mayor que la velocidad de la luz.

Después de largas décadas científicos pensaban que los agujeros negros no podían emitir nada que solo absorbían y que nada escapaba de su horizontes de sucesos ahora después de estas últimas investigaciones se sabe que estos agujeros emiten radiación como todo cuerpo caliente y que su radiación desprenden rayos gammas y X que pueden ser detectados por dispositivos colocados fuera de la atmósfera.

Bibliografia

• Stephen Hawking, ""Historia del tiempo: del big bang a los agujeros negros"". Editorial Crítica. 2005.

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• http://es.wikipedia.org/wiki/Agujeros_negros

• Almanaque mundial 1999

• http://nti.educa.rcanaria.es/usr/avan_tf_sc1_98/ggg/david3b/Un%20agujero%20en%20el%20espacio.html

• http://www.civila.com/chile/astrocosmo/an-03.htm

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• http://www.sadeya.cesca.es/~pdiaz/laberint/a-negro.htm

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Dedicatoria

ESTE PRESENTE TRABAJO VA DEDICADO A NUESTROS MAESTROS, POR SU TIEMPO, POR SU APOYO, A TODAS ESAS PERSONAS QUE CON SED DE CONOCIMENTO LEEN ESTAS PAGINAS.

Autor :

• AROTOMA ORE FREDDY

• DE LA CRUZ LANAZCA HECTOR

HUANCAVELICA – PERÚ

2015